CHIRURGIE par ORDINATEUR et ENDOSCOPIE

Philippe MERLOZ (Grenoble)

Depuis une vingtaine d’années, la chirurgie en général et l’Orthopédie-Traumatologie en particulier ont vécu plusieurs évolutions ou révolutions : l’endoscopie et l’arthroscopie au début des années 80 suivies peu après par la vidéo-chirurgie ; l’informatique a fait progressivement son apparition dans les blocs opératoires ; enfin, l’image médicale est devenue active car présentée sous forme numérique.

L’image médicale numérique, en raison même de son caractère, peut être facilement véhiculée et transférée grâce à des supports nombreux et variés (cassette DAT ; disque optique ; CDROM ; câble). Cette même image peut aussi être modélisée grâce à l’ordinateur. Dans ces conditions, elle devient transformable et peut être modifiée à volonté. Enfin, l’information numérique permet le guidage d’outils, comme cela se fait depuis longtemps dans l’industrie.

Ils ont été quelques-uns à comprendre au tout début des années 90 que l’on pouvait appliquer les trois grands principes de la robotique (perception ; raisonnement ; action) en médecine et en chirurgie en se servant des images médicales numériques. Il faut citer, ici, les travaux entrepris par Jocelyne TROCCAZ, Philippe CINQUIN, Stéphane LAVALLEE et Jacques DEMONGEOT (Université Joseph Fourier ; Grenoble),(1-2), de Lutz NOLTE (Müller Institute for Biomechanics ; Université de Bern),(3), d’Anthony DI GIOIA (Carnegie Mellon University ; Pittsburgh),(4-5), et de Russ TAYLOR (John Hopkins University ; Baltimore),(6). Le but principal du mariage entre les principes fondamentaux de la robotique et l’image médicale numérique était de concevoir et de réaliser des outils susceptibles d’aider le médecin ou le chirurgien dans ses gestes thérapeutiques quotidiens. L’information numérique fournit, en effet, un haut degré de précision et un très bon niveau de fiabilité. En appliquant les principes de robotique, il est possible de concevoir des systèmes permettant la navigation chirurgicale sur un organe ou bien de visualiser une structure anatomique invisible ou non directement accessible pendant le geste opératoire. L’ambition, au départ, était triple : fournir au chirurgien des systèmes susceptibles de rendre le geste chirurgical moins invasif ; permettre au chirurgien de simuler certains gestes opératoires ; et enfin lui fournir des outils dont le maniement serait facile et convivial.

Ainsi, au début des années 90, sont apparus des termes nouveaux, qui traduisent tous mais à des degrés variables l’ampleur des possibilités offertes par les techniques informatiques et de robotique basées sur l’image médicale numérique : chirurgie assistée par ordinateur ; chirurgie guidée par l’image ; chirurgie orthopédique assistée par ordinateur ; gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur ; robotique chirurgicale etc.…

I – LES PRINCIPES DE LA CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE GUIDEE PAR L’IMAGE :

Les trois principes utilisés sont ceux qui ont été inventés en robotique : perception de l’information ; raisonnement ; puis action.

1°) perception de l’information :

L’information peut être préopératoire sous forme d’images numériques, tomodensitométriques, IRM ou échographiques.

L’information « image » peut également être acquise en per-opératoire à l’aide de systèmes susceptibles de numériser des images : appareils de fluoroscopie ; appareils à ultra-sons et un certain nombre d’outils chirurgicaux spécifiques équipés de diodes électroluminescentes qui émettent un signal séquentiel repèré dans l’espace par un localisateur infra-rouge tridimensionnel.

2°) Recalage ou mise en correspondance des images :

Cette phase apparaît comme la plus importante en matière de chirurgie guidée par l’image (ou de chirurgie assistée par ordinateur). En effet, la principale vertu des systèmes informatiques spécifiques utilisés est leur capacité à recaler les images numériques préopératoires sur les images numériques per-opératoires dans le repère spatial du patient. Ceci est possible grâce à la mise au point d’algorithmes spécifiques de fusion d’images. L’aide à la décision est conditionnée par cette phase.

Cette mise en correspondance ou recalage peut s’effectuer par marquage anatomique à l’aide d’un repère implanté sur le patient en percutané ou bien en palpant sur l’organe exposé des points anatomiques remarquables préalablement repérés sur les images préopératoires. Le recalage peut aussi se faire par marquage de surface en numérisant à la surface de l’organe opéré un certain nombre de points pris de façon aléatoire et randomisée (logiciel dit du « Nuage de Points »),(1-2).

Deux autres techniques peuvent être utilisées pour le recalage. Il s’agit de mettre en correspondance des images tomodensitométriques préopératoires avec des images radiographiques (fluoroscopie) acquises en per-opératoire. Encore expérimentale cette technique devrait voir ses applications cliniques apparaître prochainement. L’utilisation des ultrasons en tant qu’images per-opératoires est très intéressante. En effet, les images fournies peuvent être acquises en surface et donc autoriser des gestes percutanés . Cette technique, très récente, a permis quelques applications cliniques au tout début de l’année 2000 (7).

3°) l’aide à la décision :

L’aide à la décision se fait par l’intermédiaire d’un interface utilisateur qui permet au chirurgien de visualiser les informations principales dont il a besoin : position des outils, direction, conflits éventuels, axes et longueurs. Cette aide à la décision permet un véritable placement interactif des outils chirurgicaux et des segments osseux ou articulaires sur les images préopératoires.

4°) action :

La phase d’action est simple et permet de réaliser de façon précise et fiable les objectifs et la stratégie optimale de guidage du geste, conformément au planning établi en préopératoire.

II – LES PRINCIPAUX SYSTEMES UTILISES :

Ils sont au nombre de trois : les systèmes actifs ; les systèmes passifs et les systèmes semi-actifs.

1°) les systèmes passifs :

Les systèmes passifs fournissent une information en temps réel sur la position et le guidage d’outils chirurgicaux dans le champ opératoire. Le guidage reste entièrement sous la responsabilité du chirurgien qui peut en interrompre le déroulement à tout moment.

Trois sous-systèmes sont habituellement décrits :

- les systèmes passifs basés sur l’image tomodensitométrique :

Ce sont les plus classiques. L’imagerie préopératoire est un examen TDM. L’imagerie per-opératoire est fournie par des outils spécifiques munis de diodes électroluminescentes repérées dans l’espace à l’aide d’un localisateur optique infrarouge. La phase de recalage ou de mise en correspondance des images pré et per-opératoires est importante car elle conditionne la précision du geste de guidage. Le recalage peut se faire par marquage de surface, ou par marquage anatomique (1-2). Une fois le recalage terminé, la navigation devient possible grâce à un interface utilisateur qui montre la progression des outils avec un excellent niveau de précision (de l’ordre de 1 mm) ; (3-8-9-10-11-12).

- les systèmes passifs basés sur l’image radio mais sans examen tomodensitométrique pré- opératoire :

C’est dans ce domaine qu’il faut placer la fluoroscopie virtuelle. Une grille de calibrage

montée sur le récepteur d’un amplificateur de brillance permet de corriger (par des moyens informatiques) les distorsions et les déformations de l’image fluoroscopique. Très proches de la réalité, les images numériques reformatées autorisent la visualisation d’outils en temps réel et avec un excellent niveau de précision. Là aussi, les outils doivent être vus dans l’espace et c’est pour cette raison qu’ils sont tous munis de diodes électroluminescentes visibles en permanence par un système de localisation optique tridimensionnel ; (13-14).

- Les systèmes passifs non basés sur l’image radio :

Ces systèmes permettent l’acquisition per-opératoire de données concernant la cinématique articulaire (centres instantanés de rotation) et/ou de données morphologiques (« Bone Morphing ») basées sur l’utilisation de modèles statistiques. Ils font simplement appel à des outils munis de diodes et à un localisateur optique tridimensionnel. L’image radiographique préopératoire n’a plus ici qu’un rôle diagnostic. Dans ce domaine, on peut citer les systèmes qui permettent de positionner les greffes de ligaments croisés antérieurs sur les points les plus isométriques ainsi que les systèmes qui permettent d’optimiser le positionnement des différentes pièces qui composent les prothèses articulaires ( genou et hanche), (15-16).

2°) les systèmes semi-actifs :

Ces systèmes sont caractérisés par le fait que si certains gestes chirurgicaux sont contraints mécaniquement, le guidage dans la direction optimale définie en préopératoire reste sous la responsabilité du chirurgien. Ces nouveaux outils servent surtout comme aide au positionnement d’instruments. On peut citer la technique des gabarits individuels pour la chirurgie du rachis (17), et plus récemment le bras à contraintes dynamiques (robot à sécurité passive) mis au point à Grenoble (18) .

3°) les systèmes actifs :

Ces systèmes effectuent un travail autonome (sans contrôle chirurgical direct) conformément à un planning établi en préopératoire. Il s’agit là de véritables robots chirurgicaux et l’on peut distinguer 4 types de systèmes robotisés :

- Les assistants : avec les systèmes MKM, SURGISCOPE et AESOP.

- Les télémanipulateurs : avec les systèmes ZEUS, ou INTUITIVE SURGERY.

- Les porte instruments : le NEUROMAT

- Les robots opérateurs : comme les systèmes ROBODOC (19) ou CASPAR déjà en service pour la chirurgie de la hanche et du genou ou comme le futur robot CRIGOS dont le volume est extrêmement compact.

Ainsi donc, lorsque l’on peut allier des connaissances chirurgicales parfaites à l’utilisation d’un outil guidé par l’image, le geste chirurgical apparaît plus précis et les techniques de chirurgie minimales invasives deviennent encore plus accessibles.

Les systèmes actifs (robots) ainsi que les systèmes passifs basés sur l’image TDM apparaissent à l’heure actuelle comme des outils « standards » de chirurgie assistée par ordinateur. Les autres systèmes (gabarits individuels) et les appareils permettant la navigation chirurgicale sans examen tomodensitométrique préopératoire (avec deux radiographies calibrées comme dans la fluoronavigation) ou avec uniquement des outils munis de diodes électroluminescentes (comme dans la chirurgie du ligament croisé antérieur, et la chirurgie prothétique du genou) apparaissent comme des «alternatives » aux systèmes d’assistance dits « standards ».

En fait, tous ces systèmes sont au cœur d’un processus d’intégration d’informations numériques multimodales : TDM ; IRM ; radiologie numérique et bientôt les modèles statistiques et les atlas de recalage élastique.

En pratique chirurgicale, une boucle complète faisant intervenir l’image numérique peut être décrite de la phase préopératoire jusqu’à la phase post-opératoire. Ainsi sont nées, au cours de ces dernières années, les technologies de l’information à destinée chirurgicale :

- L’information numérique préopératoire peut servir au diagnostic et à la planification mais

aussi à la simulation.

- L’information numérique per-opératoire permet l’exécution et la réalisation d’un geste chirurgical. Cette étape fait généralement appel à des systèmes de poursuite d’outils ou à des systèmes robotisés. Les tâches peuvent être passives, actives ou semi-actives. Au cours de l’intervention - et bien que non absolument nécessaire - (fluoroscopie virtuelle par exemple), l’information numérique préopératoire est le plus souvent indispensable.

- L’information numérique postopératoire permet d’enregistrer les radiographies de contrôle

d’une intervention, d’évaluer les résultats et de contribuer à l’établissement de critères de prévention

en comparaison avec les données numériques pré et per-opératoires.

Les applications des techniques informatisées en Orthopédie sont très nombreuses : chirurgie de la hanche (ostéotomies et chirurgie prothétique) chirurgie du genou (ostéotomies ; chirurgie prothétique et chirurgie ligamentaire) chirurgie du bassin, chirurgie du rachis ; traumatologie (notamment traumatologie des membres et traumatologie du bassin).

Dès demain apparaîtront de nouveaux outils : les systèmes de deuxième génération permettront le positionnement virtuel des ensembles osseux et articulaires directement dans le champ opératoire ; les micro-robots et autre systèmes, permettront avec une grande précision de positionner des matériels d’ostéosynthèse. Les systèmes d’imagerie virtuelle seront associés à la vidéo et fourniront des images (réelles et virtuelles) en temps réel au chirurgien ; des bras robotisés à sécurité passive permettront d’accéder à des régions anatomiques délicates en toute sécurité conformément à un planning pré-opératoire. Enfin l’interface utilisateur (écran) va devenir de plus en plus convivial (aide visuelle directe ; aide en ligne ; souris remplacée par un écran tactile, une pédale ou une commande vocale).

Professeur Philippe MERLOZ

Service de Chirurgie Orthopédique

CHU A. Michallon ; BP 217

38043 GRENOBLE Cedex 9

Tel : 04 76 76 55 93

Fax : 04 76 76 52 18

E-mail : Pmerloz@chu-grenoble.fr

REMERCIEMENTS : L’auteur tient a remercier toutes celles et tous ceux qui depuis maintenant dix ans ont participé au développement de ces nouvelles technologies.

- Laboratoire TIMC (Technique de l’Imagerie de la Modélisation et de la Cognition) ; IMAG ; CNRS ; Université Joseph Fourier (Grenoble) : Jocelyne Troccaz ; Philippe Cinquin ; Stéphane Lavallée ; Christian Huberson ; Laurent Desbat.

- Service d’Orthopédie-Traumatologie ; CHU A. Michallon (Grenoble) : Sorin Blendea ; Ahmad Eid ; Claude Faure ; Thierry Martinez ; Stéphane Plaweski ; Jérome Tonetti.

1° LAVALLEE S., TROCCAZ J., SAUTOT P., MAZIER B., CINQUIN Ph. ,

MERLOZ Ph. , CHIROSSEL JP.

Computer assisted spine surgery using anatomy-based registration.

In : Computer Integrated Surgery, ed R. Taylor, S. Lavallée, G. Burdea et R. Mösges Edit.

MIT Press, Cambridge, 1995 (425-449).

2° LAVALLEE S., SAUTOT P., TROCCAZ J., CINQUIN Ph. , MERLOZ Ph.

Computer Assisted Spine Surgery. A technique for accurate transpedicular screw fixation using CT data and a 3 D optical localizer.

J. Image Guided Surg. 1995, 1, 65-73.

3° LANGLOTZ F., BERLEMANN U., GANZ R., NOLTE LP.

Computer-Assisted Periacetabular Osteotomy.

Oper. Techniques in Orthop, vol 10, N° 1, 2000 ; 14-19

4° DI GIOIA A., JARAMAZ B., NIKOU C., LABARCA R., MOODY J., COLGAN B.

Surgical Navigation for Total Hip Replacement with the use of « HIP NAV ».

Oper. Techniques in Orthop, vol 10, N° 1, 2000 ; 3-8

5° NIKOU C., DI GIOIA A., BLACKWELL M., JARAMAZ B., KANADE T.

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6° TAYLOR R.

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7° TONETTI J., CARRAT L., LAVALLEE S., PITTET L., MERLOZ Ph. , CHIROSSEL JP.

Percutaneous Ilio-sacral screw placement using image guided techniques.

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Pedicle screw placement using Image Guided Techniques.

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11° MERLOZ Ph. , TONETTI J., CINQUIN P., LAVALLEE S., TROCCAZ J.,

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Chirurgie Assistée par Ordinateur : vissage automatisé des pédicules vertébraux.

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In lecture notes in computer science (J. Troccaz ; E. Grimson ; M. Mösges eds) PP 727-736.

Springer Verlag Edit. , Berlin, 1997.

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